DE102019126640A1

DE102019126640A1 - Arc wire spraying device

Info

Publication number: DE102019126640A1
Application number: DE102019126640.8A
Authority: DE
Inventors: Steffen Heidemann; Christian Weinmann
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-04-08
Also published as: WO2021063670A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung weist einen Lichtbogenbrenner (10) auf, der als Anode einen stets zugeführten Draht (15) und als Kathode eine Gegenelektrode (16) aufweist, der ein Kühlkanal (29) zugeordnet ist. Dieser ist außerhalb der Gegenelektrode (16) angeordnet, die somit massiv und frei von Hohlräumen ausgebildet ist. Damit ist einerseits eine wirksame und über einen weiten Betriebsbereich funktionsfähige Kühlung der Gegenelektrode (16) geschaffen.The arc wire spraying device according to the invention has an arc burner (10) which has a wire (15) that is always fed in as the anode and a counter electrode (16) as the cathode to which a cooling channel (29) is assigned. This is arranged outside the counter electrode (16), which is thus solid and free of cavities. On the one hand, this creates an effective cooling of the counter-electrode (16) that is functional over a wide operating range.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung mit einer nicht verbrauchbaren Elektrode sowie ein Verfahren zur Kühlung derselben.The invention relates to an arc wire spray device with a non-consumable electrode and a method for cooling the same.

Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtungen dienen der Beschichtung von Substraten mit Metall, beispielsweise der Beschichtung von Aluminiumkörpern mit einer Stahlauflage. Dazu wird das Beschichtungsmaterial mittels Lichtbogens aufgeschmolzen und durch einen Gasstrahl auf die zu beschichtende Fläche übertragen.Arc wire spraying devices are used to coat substrates with metal, for example to coat aluminum bodies with a steel layer. For this purpose, the coating material is melted by means of an electric arc and transferred to the surface to be coated by a gas jet.

Eine solche Vorrichtung zum Lichtbogen-Drahtspritzen ist beispielsweise aus der DE 10 2009 004 581 A1 bekannt. Diese Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung weist eine Drahtzufuhreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, einen Lichtbogenbrenner Draht zuzuführen. Der Lichtbogenbrenner weist eine Gegenelektrode auf, der ein Kühlkanal zugeordnet ist, um die Gegenelektrode zu kühlen. Dazu ist die Gegenelektrode aus Wolfram oder aus mit Wolfram ummantelten Kupfer als Hohlkörper ausgebildet, sodass sie von dem Kühlmittel durchströmbar ist. Zur Kühlmittelzufuhr sind an die nicht verbrauchbare Gegenelektrode Kühlkanäle eines Kühlmittelkreislaufs angeschlossen.Such a device for wire arc spraying is, for example, from DE 10 2009 004 581 A1 known. This wire arc spray device has a wire feed device which is set up to feed an arc torch wire. The arc torch has a counter electrode to which a cooling channel is assigned in order to cool the counter electrode. For this purpose, the counter electrode is made of tungsten or of copper coated with tungsten as a hollow body so that the coolant can flow through it. For the coolant supply, cooling channels of a coolant circuit are connected to the non-consumable counter electrode.

Bei der direkten Einleitung von Kühlmittel in die Gegenelektrode kann es bei hohem Wärmeeintrag in die Gegenelektrode zu lokaler Überlastung des Kühlmittels, zum Beispiel zur Dampfblasenbildung kommen. Es ist einerseits erforderlich, die Gegenelektrode auf einer Betriebstemperatur zu halten, die eine thermische Elektronenemission ermöglicht, andererseits aber muss ein Abschmelzen der Gegenelektrode vermieden werden.When coolant is introduced directly into the counter electrode, local overloading of the coolant, for example vapor bubbles, can occur if there is a high level of heat input into the counter electrode. On the one hand, it is necessary to keep the counter-electrode at an operating temperature that enables thermal electron emission, but on the other hand, melting of the counter-electrode must be avoided.

Gelingt dies nicht, kann die Qualität der Beschichtung gemindert werden, indem von der nicht verbrauchbaren Gegenelektrode Partikel aufgeschmolzen und als Fremdkörper in die Beschichtung eingetragen werden. Andererseits ist bei zu niedriger Temperatur die Elektronenemission nicht ausreichend und die Lichtbogenqualität kann leiden.If this does not succeed, the quality of the coating can be reduced by melting particles from the non-consumable counter electrode and entering them into the coating as foreign bodies. On the other hand, if the temperature is too low, the electron emission is insufficient and the quality of the arc can suffer.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung anzugeben, mit der sich Beschichtungen zuverlässig in hoher Qualität erzeugen lassen.On this basis, it is the object of the invention to specify an arc wire spray device with which coatings can be reliably produced in high quality.

Diese Aufgabe wird mit der Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst:This object is achieved with the wire arc spray device according to claim 1:

Erfindungsgemäß weist die Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung eine Drahtzufuhreinrichtung auf, mit der Draht in Richtung einer Gegenelektrode gefördert wird, um mit dieser einen Lichtbogen auszubilden. Dazu sind sowohl der Draht über eine Stromzufuhreinrichtung als auch die Gegenelektrode mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden. Die Gegenelektrode ist im Betrieb typischerweise als Kathode geschaltet, d.h., mit dem vorwiegend negativen Pol der Stromquelle verbunden. Die Stromquelle kann eine Gleichstromquelle oder eine Stromquelle für gepulsten Gleichstrom oder auch mit einem Wechselstrom überlagerten Gleichstrom sein.According to the invention, the wire arc spray device has a wire feed device with which wire is conveyed in the direction of a counter electrode in order to form an arc with the latter. For this purpose, both the wire and the counter electrode are connected to a corresponding power source via a power supply device. The counter electrode is typically connected as a cathode during operation, i.e. connected to the predominantly negative pole of the power source. The current source can be a direct current source or a current source for pulsed direct current or also direct current superimposed with an alternating current.

Der Gegenelektrode ist ein Kühlkanal zugeordnet, der vorzugsweise vollständig außerhalb der Gegenelektrode angeordnet ist. Die Gegenelektrode ist vorzugsweise massiv ausgebildet und enthält keine kühlmitteldurchströmten Hohlräume. An ihrer Außenfläche kann sie jedoch von Kühlmittel umspült sein.The counter electrode is assigned a cooling channel which is preferably arranged completely outside the counter electrode. The counter electrode is preferably solid and does not contain any cavities through which coolant flows. However, coolant can wash around it on its outer surface.

Durch die Anordnung des Kühlkanals außerhalb der Gegenelektrode werden sowohl eine Überlastung des Kühlmittels als auch ein zu starker Wärmeaustrag aus der Gegenelektrode vermieden.By arranging the cooling channel outside the counter electrode, both overloading of the coolant and excessive heat dissipation from the counter electrode are avoided.

Die Gegenelektrode ist vorzugsweise in einem Sockel gefasst, der mit dem Kühlkanal in wärmeübertragender Verbindung steht. Während die Gegenelektrode vorzugsweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, beispielsweise eine mit einem Metalloxid, beispielsweise Lanthanoxid legierten Wolframwerkstoff besteht, ist der Sockel aus einem hoch wärmeleitfähigem Material, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder dergleichen, ausgebildet. Der Sockel kann dabei der Wärmeverteilung dienen und somit die Ausbildung von Hotspots im Kühlkanal vermeiden. Anstelle von hochwärmeleitfähigen Metallen, wie Kupfer oder Aluminium, kann der Sockel auch aus einem anderen Wärmeleitmaterial oder einer wärmeleitfähigen Legierung ausgebildet sein.The counter electrode is preferably held in a base which is in heat-transferring connection with the cooling channel. While the counter electrode is preferably made of tungsten or a tungsten alloy, for example a tungsten material alloyed with a metal oxide, for example lanthanum oxide, the base is made of a highly thermally conductive material such as copper, aluminum or the like. The base can serve to distribute heat and thus avoid the formation of hotspots in the cooling channel. Instead of highly thermally conductive metals such as copper or aluminum, the base can also be formed from another thermally conductive material or from a thermally conductive alloy.

Der Sockel weist vorzugsweise eine mit der Gegenelektrode in Berührung stehende Wärmeaufnahmefläche sowie eine Wärmeabgabefläche auf, die größer ist als die Wärmeaufnahmefläche. Dies führt zu einer Abschwächung, d.h. einer Verminderung der Leistungsdichte des Wärmeflusses von der Gegenelektrode zu dem Kühlkanal.The base preferably has a heat-absorbing surface which is in contact with the counter-electrode and a heat-dissipating surface which is larger than the heat-absorbing surface. This leads to a weakening, i.e. a reduction in the power density of the heat flow from the counter electrode to the cooling channel.

Die Wärmeabgabefläche steht vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar mit in dem Kühlkanal strömenden Medium in Wärmeaustausch. Vorzugsweise kann der Kühlkanal in einer Fassung angeordnet sein, die dem Sockel zugeordnet ist. Der Sockel dient dazu, die Gegenelektrode lösbar mit der Fassung zu verbinden. Der Kühlkanal kann den Sockel durchsetzend oder auch diesen nicht durchsetzend ausschließlich in der Fassung angeordnet sein. Durchsetzt der Kühlkanal den Sockel, kann das Kühlmedium die Außenfläche der Gegenelektrode direkt umspülen und dadurch einen hohen Wärmeaustrag aus der Gegenelektrode bewirken. Außerdem kann, wenn der Kühlmittelstrom einer Elektrodentemperaturregelung unterliegt, die Trägheit der Regelung vermindert werden.The heat release surface is preferably in direct or indirect heat exchange with the medium flowing in the cooling channel. The cooling channel can preferably be arranged in a socket which is assigned to the base. The base serves to releasably connect the counter electrode to the socket. The cooling channel can be arranged to pass through the base or not to pass through it, exclusively in the socket. If the cooling channel passes through the base, the cooling medium can wash directly around the outer surface of the counter-electrode and thereby cause a high level of heat to be dissipated from the counter-electrode. In addition, if the coolant flow is a Electrode temperature control is subject to the inertia of the control can be reduced.

Bei einer anderen Ausführungsform ist der Kühlkanal ausschließlich in der Fassung untergebracht. Der Wärmeübergang von dem Sockel auf die Fassung erfolgt dann über Passflächen des Sockels und der Fassung. Die Passflächen bilden vorzugsweise eine Übergangspassung, sodass die Passfläche des Sockels und die Passfläche der Fassung spaltlos, d.h. mit einer Spaltweite von Null, aneinander anliegen und so ein guter Wärmeübergang sichergestellt ist. Die Passflächen können geschwärzt sein, um den Wärmeübergang noch zu verbessern.In another embodiment, the cooling channel is accommodated exclusively in the socket. The heat transfer from the base to the socket then takes place via mating surfaces of the base and the socket. The fitting surfaces preferably form a transition fit so that the fitting surface of the base and the fitting surface of the socket rest against one another without any gaps, i.e. with a gap width of zero, thus ensuring good heat transfer. The mating surfaces can be blackened in order to further improve the heat transfer.

Vorzugsweise ist der Kühlkanal mit einer Speiseeinrichtung verbunden, die hinsichtlich der Kühlmitteltemperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels regulierbar ausgebildet ist. Damit wird es möglich, während des Betriebs der Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung den Wärmeaustrag aus der Gegenelektrode zu regulieren und damit dafür zu sorgen, dass die Gegenelektrode einen gewünschten Temperaturbereich nicht verlässt. Es ist möglich, die Temperatur der Gegenelektrode oder die Temperatur des Kühlmittels als Führungsgröße zu nutzen. Die Temperatur der Gegenelektrode kann beispielsweise pyrometrisch gemessen werden. Die Temperatur des Kühlmittels wird vorzugsweise von der Gegenelektrode gesehen stromabwärts im Kühlmittelstrom gemessen. Weiter ist es möglich, elektrische Kenngrößen, wie zum Beispiel die zwischen dem Draht und der Gegenelektrode vorhandene Spannung und/oder den fließenden Strom zu überwachen und als Kriterium für die Erhöhung oder Verminderung der Kühlung der Gegenelektrode heranzuziehen.The cooling channel is preferably connected to a feed device which is designed to be adjustable with regard to the coolant temperature and / or the flow rate of the coolant. This makes it possible to regulate the heat dissipation from the counter electrode during operation of the wire arc spray device and thus to ensure that the counter electrode does not leave a desired temperature range. It is possible to use the temperature of the counter electrode or the temperature of the coolant as a reference variable. The temperature of the counter electrode can be measured pyrometrically, for example. The temperature of the coolant is preferably measured downstream in the coolant flow as seen from the counter electrode. It is also possible to monitor electrical parameters, such as the voltage and / or the flowing current between the wire and the counter-electrode, and to use them as a criterion for increasing or reducing the cooling of the counter-electrode.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung einer als Kathode betriebenen nicht verbrauchbaren Gegenelektrode eines Lichtbogenbrenners dient dazu, der Gegenelektrode über ein Kühlmittel Wärme zu entziehen. Dabei wird die Leistungsdichte des abzuleitenden Wärmeflusses von der Gegenelektrode zu dem Kühlmittel hin reduziert, indem der Wärmefluss über eine Wärmeaufnahmefläche in einen Sockel und von diesem über eine Wärmeabgabefläche auf das Kühlmittel geleitet wird. Der Flächeninhalt der Wärmeabgabefläche ist größer als der Flächeninhalt der Wärmeaufnahmefläche. Damit werden lokale Hot-Spots im Kühlmittelkanal vermieden.The method according to the invention for cooling a non-consumable counter-electrode of an arc torch operated as a cathode is used to extract heat from the counter-electrode by means of a coolant. The power density of the heat flow to be dissipated from the counter electrode to the coolant is reduced in that the heat flow is conducted via a heat absorption surface into a base and from this via a heat emission surface onto the coolant. The surface area of the heat emission surface is larger than the surface area of the heat absorption surface. This avoids local hot spots in the coolant duct.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der zugehörigen Beschreibung und/oder von Ansprüche. Es zeigen:

1 einen Brenner einer Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung beim Beschichten einer Bohrungsfläche, in schematischer Darstellung,
2 den Brenner nach 1, in schematischer Vertikalschnittsdarstellung,
3 eine Gegenelektrode mit ihrem Sockel und der zugeordneten Fassung des Brenners nach 1 und 2, in schematisierter Vertikalschnittdarstellung,
4 den Brenner und seine Kühleinrichtung, in schematischem Funktionsbild,
5 eine abgewandelte Ausführungsform der Fassung des Sockels und der Gegenelektrode, in schematischer Vertikalschnittdarstellung.

Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of the drawing, the associated description and / or the claims. Show it:

1 a torch of an arc wire spraying device when coating a bore surface, in a schematic representation,
2 after the burner 1 , in a schematic vertical section,
3 a counter electrode with its base and the associated socket of the burner 1 and 2 , in a schematic vertical section,
4th the burner and its cooling device, in a schematic functional diagram,
5 a modified embodiment of the holder of the base and the counter electrode, in a schematic vertical sectional view.

In 1 ist ein Lichtbogenbrenner 10 einer Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung veranschaulicht, der zur Veranschaulichung seiner Funktion in eine Bohrung 11 eines Werkstücks 12 eintauchend veranschaulicht ist. Der Lichtbogenbrenner 10 dient dazu, die Bohrungswandung 13 mit einer Metallschicht, insbesondere einer Stahlschicht, zu versehen. Das Werkstück 12 kann beispielsweise ein Motorblock oder ein anderer Gegenstand, insbesondere ein Gegenstand aus Aluminium sein. Zur Beschichtung der Wandung 13 erzeugt der Lichtbogenbrenner 10 einen aus Metalltröpfchen bestehenden Sprühstrahl 14, der auf die Wandung 13 gerichtet ist.In 1 is an arc torch 10 an arc wire spray device, which is used to illustrate its function in a bore 11 of a workpiece 12th is illustrated immersed. The arc torch 10 serves to protect the bore wall 13th to be provided with a metal layer, in particular a steel layer. The workpiece 12th can for example be an engine block or another object, in particular an object made of aluminum. For coating the wall 13th generated by the arc torch 10 a spray consisting of metal droplets 14th that on the wall 13th is directed.

Der Aufbau des Lichtbogenbrenners 10 ist schematisch aus 2 ersichtlich. Über eine in 1 lediglich symbolisch angedeutete Drahtzufuhreinrichtung 15a wird ein Draht 15 dem Lichtbogenbrenner 10 mit kontrollierter Geschwindigkeit und/oder kontrolliertem Bewegungsprofil zugeführt. Zwischen dem an seinem Ende stets abschmelzenden Draht 15 und einer sich in Betrieb nicht wesentlich verbrauchenden Gegenelektrode 16 brennt ein Lichtbogen 17. Eine neben dem Lichtbogen 17 angeordnete Blasdüse 18 dient dazu, von dem Draht 15 abschmelzende Metalltröpfchen in Form eines Strahls, beispielsweise eines Fächer- oder Kegelstrahls auszutragen und so den Spühstrahl 14 zu bilden.The structure of the arc torch 10 is schematically from 2 evident. Via an in 1 only symbolically indicated wire feed device 15a becomes a wire 15th the arc torch 10 fed at a controlled speed and / or controlled movement profile. Between the wire that always melts at its end 15th and a counter electrode that does not consume significantly during operation 16 an arc burns 17th . One next to the arc 17th arranged blowing nozzle 18th is used by the wire 15th Melting metal droplets are discharged in the form of a jet, for example a fan or cone jet, and thus the spray jet 14th to build.

Die Gegenelektrode 16 weist an ihrem dem Draht 15 zugewandten Ende eine Kegelspitze 19 auf, an die sich ein beispielsweise zylindrischer Schaft 20 anschließt. Die Spitze kann scharf oder gerundet oder abgeflacht ausgebildet sein. Die Kegelspitze 19 und der Schaft 20 sind vorzugsweise als einziges Teil nahtlos aus ein- und demselben Material ausgebildet. Beispielsweise besteht die Gegenelektrode 16 aus einer Wolframlegierung, vorzugsweise einer Legierung aus Wolfram und ein Metalloxid, beispielsweise Wolfram und Lanthanoxid oder Toriumoxid. Diese Zusammensetzung stellt sowohl eine hohe Elektronenemissionsfähigkeit als auch die nötige thermische Standfestigkeit der Gegenelektrode 16 sicher.The counter electrode 16 points to her the wire 15th facing end a cone point 19th to which a cylindrical shaft, for example, is attached 20th connects. The tip can be sharp or rounded or flattened. The point of the cone 19th and the shaft 20th are preferably designed as a single part seamlessly from one and the same material. For example, there is the counter electrode 16 of a tungsten alloy, preferably an alloy of tungsten and a metal oxide, for example tungsten and lanthanum oxide or torium oxide. This composition provides both high electron emissivity and the necessary one thermal stability of the counter electrode 16 for sure.

Die Gegenelektrode 16 ist als massiver Körper frei von Hohlkörpern ausgebildet und in einen Sockel 21 eingelassen, der aus einem Wärmeleitmaterial ausgebildet ist. Als solches eignen sich Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder auch elektrisch und thermisch leifähige Keramikmaterialien wie zum Beispiel Siliziumcarbid. Die Gegenelektrode 16 kann mit dem Material des Sockels 21 verschweißt, verpresst oder anderweitig fest verbunden sein. Die entstehende Kontaktfläche 22 bildet die Wärmeaufnahmefläche 22 des Sockels 21.The counter electrode 16 is designed as a solid body free of hollow bodies and in a base 21 let in, which is formed from a thermally conductive material. Copper, copper alloys, aluminum, aluminum alloys or electrically and thermally conductive ceramic materials such as silicon carbide are suitable as such. The counter electrode 16 can match the material of the base 21 be welded, pressed or otherwise firmly connected. The resulting contact area 22nd forms the heat absorption surface 22nd of the base 21 .

Vorzugsweise weist diese einen Flächeninhalt auf, der größer ist als die Außenfläche der Kegelspitze. Vorzugsweise ist die Wärmeaufnahmefläche 22 außerdem größer als die Oberfläche des gesamten aus dem Sockel 21 herausragenden Abschnitts der Gegenelektrode 16.This preferably has an area which is larger than the outer surface of the cone tip. The heat absorption surface is preferably 22nd also larger than the surface area of the whole of the socket 21 protruding portion of the counter electrode 16 .

Der Sockel 21 kann nach Art eines Bolzens ausgebildet sein, der über eine Wärmeabgabefläche 23 mit einer Fassung 24 in Berührung steht. Die Wärmeabgabefläche 23 kann beispielsweise eine Zylinderfläche, eine Kegelfläche oder dergleichen sein. Vorzugsweise ist sie konzentrisch zu der Wärmeaufnahmefläche 22 angeordnet. Der Wärmeabgabefläche 23 ist eine entsprechend geformte Anlagefläche 25 der Fassung 24 zugeordnet. Die Durchmesser der Wärmeabgabefläche 23 und der Anlagefläche 25 sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass sich eine feste Anlage der beiden Flächen 23, 25 aneinander ergibt. Vorzugsweise bilden diese eine Übergangspassung. Die Wärmeabgabefläche 23 und die Anlagefläche 25 bilden somit Passflächen, die in montiertem Zustand spaltlos aneinander anliegen. Die Wärmeabgabefläche 23 und die Anlagefläche 25 sind vorzugsweise Zylinderflächen. Sie können aber auch als übereinstimmende Kegelflächen ausgebildet sein. Eine andere Möglichkeit zur Erzielung einer spaltlosen Anlage zwischen der Wärmeabgabefläche 23 und der Anlagefläche 25 ist, die betreffenden Teile aus Materialien herzustellen, die einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizient besitzen, wobei insbesondere der Sockel 21 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die Fassung 24. Im warmen zustand entsteht somit eine Presspassung zwischen der Wärmeabgabefläche 23 und der Anlagefläche 25. Auch kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der Fassung 21 kleiner sei, als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Gegenelektrode 16 bzw. des Schafts 20.The base 21 can be designed in the manner of a bolt, which over a heat emission surface 23 with a socket 24 is in contact. The heat release surface 23 can for example be a cylindrical surface, a conical surface or the like. It is preferably concentric to the heat absorption surface 22nd arranged. The heat release surface 23 is a correspondingly shaped contact surface 25th the version 24 assigned. The diameter of the heat emitting surface 23 and the contact surface 25th are preferably coordinated in such a way that there is a firm contact between the two surfaces 23 , 25th results in each other. These preferably form a transition fit. The heat release surface 23 and the contact surface 25th thus form fitting surfaces which, in the assembled state, lie against one another without any gaps. The heat release surface 23 and the contact surface 25th are preferably cylindrical surfaces. But they can also be designed as matching conical surfaces. Another way to achieve a gap-free system between the heat emission surface 23 and the contact surface 25th is to produce the parts in question from materials that have a different coefficient of thermal expansion, in particular the base 21 has a greater coefficient of thermal expansion than the socket 24 . When it is warm, a press fit is created between the heat release surface 23 and the contact surface 25th . The coefficient of thermal expansion of the frame 21 is smaller than the coefficient of thermal expansion of the counter electrode 16 or the shaft 20th .

Die Gegenelektrode 16 ist mit dem Sockel 21 elektrisch verbunden, der seinerseits mit der Fassung 24 elektrisch verbunden ist. Die Stromzuführung zu der Gegenelektrode 16 erfolgt über das Gehäuse 10, die Fassung 24 und den Sockel 21.The counter electrode 16 is with the base 21 electrically connected, which in turn is connected to the socket 24 is electrically connected. The power supply to the counter electrode 16 takes place via the housing 10 , the version 24 and the base 21 .

An seinem von der Gegenelektrode 16 abliegenden Ende weist der Sockel 21 ein Gewinde 26 auf, das in ein entsprechendes Gewinde 27 der Fassung eingeschraubt ist. Auch die beiden Gewinde 26, 27 tragen zur Wärmeübertragung von dem Sockel 21 auf die Fassung 24 bei.At his from the counter electrode 16 the distal end has the base 21 a thread 26th on that in a corresponding thread 27 is screwed into the socket. The two threads too 26th , 27 contribute to heat transfer from the base 21 on the frame 24 at.

Im Übergang zwischen dem Gewinde 26 und der Wärmeabgabefläche 23 kann der Sockel 21 mit einer Schulter 28 versehen sein, die an einer entsprechenden Stufe der in der Fassung 24 vorgesehenen Aufnahmebohrung anliegt. Durch hier angeordnete Abstimmscheiben kann die Axialposition der Gegenelektrode 16 fein eingestellt werden.In the transition between the thread 26th and the heat release surface 23 can the base 21 with one shoulder 28 be provided at a corresponding stage in the version 24 provided mounting hole is applied. The axial position of the counter electrode can be adjusted by means of adjusting disks arranged here 16 can be fine-tuned.

Die Fassung 24 enthält mindestens einen Kühlkanal 29, der sich in mindestens einer, vorzugsweise mehreren Windungen 29a, 29b um die Aufnahmebohrung für den Sockel 21 schlingt. Der Kühlkanal 29 kann dabei einer Schraubenlinie folgen. Sein Zulauf 30 ist vorzugsweise mit dem von der Gegenelektrode 16 fernliegenden Ende der schraubenförmigen Windungen 29a, 29b des Kühlkanals 29 verbunden. Der Ablauf 31 ist vorzugsweise mit dem der Gegenelektrode 16 nahen Ende des schraubenförmigen Kühlkanals 29 verbunden. Eine alternative Anordnung ist jedoch möglich.The version 24 contains at least one cooling channel 29 , which is in at least one, preferably several turns 29a , 29b around the mounting hole for the base 21 loops. The cooling duct 29 can follow a helix. His influx 30th is preferably with that of the counter electrode 16 distal end of the helical turns 29a , 29b of the cooling duct 29 connected. The sequence 31 is preferably with that of the counter electrode 16 near end of the helical cooling channel 29 connected. However, an alternative arrangement is possible.

Der Kühlkanal 29 wird vorzugsweise von einem flüssigen Wärmeträgerfluid insbesondere Wasser durchströmt. Bevorzugt wird dabei entionisiertes Wasser, gegebenenfalls zur Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit mit einer Beimischung von Glykol. Damit ist der Kühlkreislauf elektrisch von der Gegenelektrode 16 trennbar.The cooling duct 29 a liquid heat transfer fluid, in particular water, preferably flows through it. Deionized water is preferred, optionally with an admixture of glycol to reduce the electrical conductivity. This means that the cooling circuit is electrical from the counter electrode 16 separable.

Wie 4 zeigt, ist der Draht 15 mit einer Stromzufuhreinrichtung 32, beispielsweise in Form von Schleifkontakten oder ähnlichem, verbunden, die den Draht 15 elektrisch mit einer Lichtbogenstromquelle 33 verbinden. Diese ist vorzugsweise als Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle ausgebildet, wobei ihr negativer Pol vorzugsweise mit der Gegenelektrode 16 verbunden ist, die somit für den Lichtbogen 17 die Kathode bildet.How 4th shows is the wire 15th with a power supply device 32 , for example in the form of sliding contacts or the like, connected to the wire 15th electrically with an arc power source 33 connect. This is preferably designed as a direct voltage or direct current source, with its negative pole preferably with the counter electrode 16 is connected, which is thus responsible for the arc 17th forms the cathode.

Der Kühlkanal 29 ist über einen Kühler 34 und eine Pumpe 35 zu einem Kühlkreislauf geschlossen. Die Kühlwirkung desselben kann fest eingestellt oder auch regulierbar sein. In dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die Regulierung der Kühlwirkung durch Regelung der Drehzahl der Pumpe 35 bewirkt. Eine dazu vorgesehene Steuereinrichtung 36 kann die Drehzahl der Pumpe 35 beispielsweise anhand der Temperatur der Gegenelektrode 16, anhand der Temperatur des Kühlmittels oder auch anhand elektrischer Größen regeln, die sich an dem Lichtbogen 17 ergeben. Dazu kann die Steuereinrichtung 36 den Lichtbogenstrom und die Lichtbogenspannung erfassen, um daraus und anhand eines geeigneten Lichtbogenmodells den Kühlbedarf der Gegenelektrode 26 zu ermitteln. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung 36 mit der Lichtbogenstromquelle verbunden sein, um im einfachsten Fall synchron oder zeitversetzt zu der Lichtbogenstromquelle 32 ein- und ausgeschaltet zu werden.The cooling duct 29 is about a cooler 34 and a pump 35 closed to a cooling circuit. The cooling effect of the same can be set permanently or also be adjustable. In the in 4th The illustrated embodiment is the regulation of the cooling effect by regulating the speed of the pump 35 causes. A control device provided for this purpose 36 can change the speed of the pump 35 for example on the basis of the temperature of the counter electrode 16 , on the basis of the temperature of the coolant or on the basis of electrical variables that regulate on the arc 17th surrender. The control device 36 record the arc current and the arc voltage in order to use this and a suitable arc model to determine the cooling requirement of the counter electrode 26th to determine. Additionally or alternatively, the control device 36 be connected to the arc power source, in the simplest case synchronous or time-shifted to the arc power source 32 to be turned on and off.

Der insoweit beschriebene Lichtbogenbrenner 10 und die ihm zugeordneten Elemente arbeiten wie folgt:The arc torch described so far 10 and the elements assigned to it work as follows:

In Betrieb wird zwischen dem stets zugeführten Draht 15 und der Gegenelektrode 16 die Lichtbogenspannung aufrechterhalten, wobei der Lichtbogen 17 mit dem nötigen von der Lichtbogenstromquelle 33 gelieferten Strom gespeist wird. Ein aus der Düse 18 entlassener Gasstrahl bläst dabei den Sprühstrahl 14 auf die Wandung 13. Zugleich rotiert der Lichtbogenbrenner um seine Achse 37 wobei er gegebenenfalls axial bewegt wird. Die als Kathode betriebene Gegenelektrode 16 heizt sich durch ohmsche Verluste sowie durch die Wirkung des Lichtbogens auf Temperaturen zwischen 2000°C und 3000°C auf und emittiert insbesondere an ihre Spitze Elektronen. Wie erwähnt kann das hier allgemein als „Kegelspitze 19“ bezeichnete Ende der Gegenelektrode 16 zugespitzt oder auch abgerundet oder abgeflacht ausgebildet sein. Ein Teil der vom Lichtbogen umgesetzten thermischen Leistung muss von der Gegenelektrode 16 abgeführt werden. Diese Wärme wird zunächst über die Wärmeaufnahmefläche 22 auf den Sockel und von diesem über die Wärmeabgabefläche 23 auf die Fassung 24 übertragen. Die Wärme wird dabei aus Sicht der Gegenelektrode 16 zunächst großräumig verteilt und kann über die erhebliche Länge des Kühlkanals 29 auf das Kühlmittel übertragen werden. Eine lokale Überhitzung, Dampfblasenbildung oder dergleichen ist ausgeschlossen.In operation is between the always fed wire 15th and the counter electrode 16 maintain the arc voltage, taking the arc 17th with the necessary from the arc power source 33 supplied electricity is fed. One from the nozzle 18th the released gas jet blows the spray jet 14th on the wall 13th . At the same time, the arc torch rotates around its axis 37 where appropriate, it is moved axially. The counter electrode operated as a cathode 16 heats up due to ohmic losses and the effect of the arc to temperatures between 2000 ° C and 3000 ° C and emits electrons especially at its tip. As mentioned, the end of the counter-electrode, generally referred to here as “cone tip 19”, can be used 16 be pointed or rounded or flattened. Part of the thermal power converted by the arc has to come from the counter electrode 16 be discharged. This heat is first transferred to the heat-absorbing surface 22nd onto the base and from this via the heat dissipation surface 23 on the frame 24 transfer. The heat is from the point of view of the counter electrode 16 initially distributed over a large area and can be used over the considerable length of the cooling duct 29 transferred to the coolant. Local overheating, vapor bubble formation or the like is excluded.

Die Steuereinrichtung 36 kann dabei den Kühlprozess regulieren um eine zu starke Kühlung der Gegenelektrode 16 ebenso zu verhindern wie eine zu geringe Kühlung derselben.The control device 36 can regulate the cooling process to prevent excessive cooling of the counter electrode 16 as well as to prevent insufficient cooling of the same.

5 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform des Sockels 21 und der Fassung 24 der Gegenelektrode 16, für die die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen unter Beachtung der nachfolgend erläuterten Besonderheiten entsprechend gilt: 5 illustrates a modified embodiment of the base 21 and the frame 24 the counter electrode 16 , for which the previous description, based on the same reference symbols and taking into account the special features explained below, applies accordingly:

Während der Kühlkanal 29 bei der Ausführungsform nach 3 ausschließlich in der Fassung 24 verläuft, durchsetzt er bei der Ausführungsform nach 5 sowohl die Fassung 24 als auch den Sockel 21. Dieser weist einen dem Kühlkanal 29 zugehörigen Innenraum 38 auf, der an dem von der Gegenelektrode weg liegenden Ende durch einen Stopfen 39 oder andere geeignete Mittel verschlossen ist. Der Innenraum 38 kommuniziert über eine Einlassbohrung 40 und mindestens eine Auslassbohrung 41 mit entsprechenden über Dichtungen abgedichteten Ringnuten der Fassung 24, die mit dem Zulauf 30 und dem Ablauf 31 kommunizieren.During the cooling duct 29 in the embodiment according to 3 exclusively in the version 24 runs, it penetrates in the embodiment after 5 both the version 24 as well as the base 21 . This has a cooling channel 29 associated interior 38 at the end facing away from the counter electrode by a plug 39 or other suitable means is closed. The interior 38 communicates through an inlet hole 40 and at least one outlet bore 41 with corresponding annular grooves of the mount, which are sealed by means of seals 24 that with the influx 30th and the process 31 communicate.

Die Gegenelektrode 16 ist in dem Sockel 21 gefasst und kann Wärme über die Wärmeaufnahmefläche 22 an den Sockel 21 abgeben, der seinerseits über die Wärmeabgabefläche 23 Wärme direkt auf das Kühlmittel übertragen kann. Die von der Kegelspitze 19 weg weisende Stirnfläche der Gegenelektrode 16 kann mit dem Kühlmittel in Berührung stehen. Die Wärmeabgabefläche 23 bildet hier eine Wandung des Innenraums 38 und somit des Kühlmittelreservoirs. Zusätzlich kann die Gegenelektrode 16 mit ihrem Schaft 20 in den Innenraum 38 ragen und somit auch an Abschnitten ihrer Mantelfläche in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel treten. Jedoch ist die Gegenelektrode 16 auch bei dieser Ausführungsform massiv ausgebildet und frei von Hohlräumen.The counter electrode 16 is in the socket 21 collected and can heat over the heat absorption surface 22nd to the base 21 release, which in turn via the heat release surface 23 Can transfer heat directly to the coolant. The one from the point of the cone 19th facing away end face of the counter electrode 16 can come into contact with the coolant. The heat release surface 23 here forms a wall of the interior 38 and thus the coolant reservoir. In addition, the counter electrode 16 with her shaft 20th in the interior 38 protrude and thus also come into direct contact with the coolant at sections of their lateral surface. However, the counter electrode is 16 Also in this embodiment it is solid and free of cavities.

Die erfindungsgemäße Lichtbogen-Drahtspritzeinrichtung weist einen Lichtbogenbrenner 10 auf, der als Anode einen stets zugeführten Draht 15 und als Kathode eine Gegenelektrode 16 aufweist, der ein Kühlkanal 29 zugeordnet ist. Dieser ist außerhalb der Gegenelektrode 16 angeordnet, die somit massiv und frei von Hohlräumen ausgebildet ist. Damit ist einerseits eine wirksame und über einen weiten Betriebsbereich funktionsfähige Kühlung der Gegenelektrode 16 geschaffen.The wire arc spray device according to the invention has an arc torch 10 on, which is a wire that is always fed in as an anode 15th and a counter electrode as the cathode 16 having a cooling channel 29 assigned. This is outside the counter electrode 16 arranged, which is thus solid and free of cavities. On the one hand, this provides an effective cooling of the counter-electrode that is functional over a wide operating range 16 created.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: LichtbogenbrennerArc torch
1111: Bohrungdrilling
1212th: Werkstückworkpiece
1313th: Wandung der Bohrung 11Wall of the bore 11
1414th: Sprayspray
1515th: Drahtwire
15a15a: DrahtzufuhreinrichtungWire feeder
1616: GegenelektrodeCounter electrode
1717th: LichtbogenElectric arc
1818th: BlasdüseAir nozzle
1919th: KegelspitzeCone point
2020th: Schaftshaft
2121: Sockelbase
2222nd: WärmeaufnahmeflächeHeat absorption surface
2323: Wärmeabgabefläche und PassflächeHeat emission surface and mating surface
2424: FassungVersion
2525th: Anlagefläche und PassflächeContact surface and mating surface
2626th: Gewinde des SockelsThread of the base
2727: Gewinde der FassungThread of the socket
2828: Schultershoulder
2929: KühlkanalCooling duct
29a, 29b29a, 29b: Windungen des Kühlkanals 29Windings of the cooling channel 29
3030th: ZulaufIntake
3131: Ablaufprocedure
3232: StromzufuhreinrichtungPower supply device
3333: LichtbogenstromquelleArc power source
3434: Kühlercooler
3535: Pumpepump
3636: SteuereinrichtungControl device
3737: Achse des Lichtbogenbrenners 10Arc torch axis 10
3838: Innenrauminner space
3939: StopfenPlug
4040: EinlassbohrungInlet bore
4242: AuslassbohrungOutlet hole

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102009004581 A1 [0003]

Claims

Arc wire spraying device, with a wire feed device (15a) which is set up to feed wire (15) to an arc torch (10), with a current feed device (32) which is in electrical connection with the wire (15), with a counter electrode ( 16), to which a cooling channel (29) with a cooling medium is assigned, characterized in that the cooling channel (29) is arranged outside the counter electrode (16).

Arc wire spraying device according to Claim 1 , characterized in that the counter electrode (16) is held in a base (21) which is in heat-transferring connection with the cooling channel (29).

Arc wire spraying device Claim 2 , characterized in that the base (21) is formed from a thermally conductive material.

Arc wire spraying device Claim 2 or 3 , characterized in that the base (21) has a heat-absorbing surface (22) in contact with the counter-electrode (16) and a heat-dissipating surface (23) which is larger than the heat-absorbing surface (22).

Arc wire spraying device according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the heat release surface (23) is arranged directly or indirectly in heat exchange with the cooling medium flowing in the cooling channel (29).

Arc wire spraying device according to one of the preceding claims, characterized in that the base (21) is assigned a socket (24) to which the base (21) is detachably connected.

Arc wire spraying device according to Claim 6 , characterized in that the cooling channel (29) is arranged in the socket (24).

Arc wire spraying device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling channel (29) is arranged to penetrate the base (21).

Arc wire spraying device according to one of the Claims 6 to 8th , characterized in that the base (21) is arranged screwed to the socket (24).

Arc wire spraying device according to one of the Claims 6 to 9 , characterized in that the base (21) has a fitting surface (23) which is assigned to a fitting surface (25) of the socket (24).

Arc wire spraying device according to Claim 10 , characterized in that the mating surfaces (23, 25) of the base (21) and the socket (24) form a transition fit.

Arc wire spraying device according to Claim 2 and 6th , characterized in that the holder (24) has a receiving bore for the base (21) and that the cooling channel (29) is arranged leading around the receiving bore.

Arc wire spraying device according to Claim 12 , characterized in that the cooling channel (29) has several turns (29a, 29b) leading around the receiving bore.

Arc wire spraying device according to one of the preceding claims, characterized in that the counter electrode (16) is made of tungsten or a tungsten alloy.

Arc wire spraying device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling channel (29) is connected to a cooling circuit which has a regulating device (36) by means of which the coolant temperature can be influenced.

Arc wire spraying device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling channel (29) is connected to a cooling circuit which has a regulating device (36) by means of which the flow rate of the coolant can be influenced.

Method for cooling a non-consumable counter electrode (16) of an arc burner (10) operated as a cathode, in which heat is extracted from the counter electrode via a coolant, characterized in that the power density of the heat flow to be dissipated from the counter electrode (16) to the coolant is reduced in that the heat flow is conducted via a heat-absorbing surface (22) into a base (21) and from there via a heat-dissipating surface (23) to the coolant, the surface area of the heat-dissipating surface (23) being greater than the surface area of the heat-absorbing surface.